智能抢答器的设计与实现

课程设计任务书
学生姓名：王双双专业班级：通信1105 指导教师：李政颖工作单位：武汉理工大学
题目: 智能抢答器的设计与实现
初始条件：
本设计既可以选用集成电路：74LSl48，74LS279，74LS48，74LSl92，NE555，74LS00，74LSl21
和其它器件等，实现八路定时抢答功能；又可以使用单片机系统构建多路数字定时抢答器。

要求
用蜂鸣器和光电二极管作声光报警器件，工作电源Vcc为+5V。

要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、课程设计工作量：1周。

2、技术要求：
1）可同时供8名选手（或代表队）参赛，其编号分别是0到7，各用一个抢答按钮，按钮的编号
与选手的编号相对应；给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零(编号显示数码管灭
灯)和抢答的开始。

2）抢答器具有数据锁存和显示的功能。

抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并
在LED数码管上显示出选手的编号，同时扬声器给出音响提示。

此外，要封锁输入电路，禁止其
它选手抢答。

优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

3）抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定(如30秒)。

当节目主持人启
动“开始”键后，要求定时器立即进行减计时，并用显示器进行显示，同时扬声器发出短暂的声
响，声响持续时间0.5秒左右。

4）参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和
抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。

5）如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答时，本次抢答无效，系统进行短暂的报警，并封锁
输入电路，禁止选手超时后抢答，定时显示器上显示00。

3、查阅至少5篇参考文献。

按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。

全文用
A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：
1、2013年5 月17日，布置课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。

2、2013 年 5 月18 日至2013 年6 月20 日，方案选择和电路设计。

3、2013 年6 月21 日至2013 年7 月1 日，电路调试和设计说明书撰写。

4、2013年7月2日，上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。

指导教师签名：年月日
系主任（或责任教师）签名：年月日
摘要
在各种智力竞赛场合，抢答器是必不可少的最公正的用具。

本次所设计的智力竞赛抢答器可同时供8名选手或8个代表队参加比赛。

电路由主体电路和扩展电路两部分组成，分别由集成编码器、计数器、锁存器、定时器和必要的门电路等组成，其中主体电路的作用是完成主持人的控制系统清零与抢答开始功能以及完成参赛者的抢答并显示其编号的功能，扩展电路由控制电路，主要包括秒脉冲发生电路和定时电路，并且在设计中加入了报警电路，以提示选手和观众。

经Mutism仿真软件验证抢答器原理图无误，可实现设计所要求功能。

根据原理图，在面包板上连接构成实物。

关键字：抢答器秒脉冲发生电路定时电路报警电路Multism仿真
Abstract
Quiz in a variety of occasions, Answer is just the most essential appliances.
Designed by The Answer quiz can be at the same time for eight players or teams to participate in eight games. Circuit from the main circuit and the expansion of the circuit is composed of two parts, respectively, by the integration of encoders, counters, latches, timers and necessary, such as gates, of which the role of the main circuit is completed the control system host cleared with Answer contestants began to function and the completion of the Answer and display the function of its number to expand the circuit by the control circuitry, including pulse circuit and timing circuit, and in the design of alarm circuit is added in order to prompt players and spectators.
By Mutism Answer simulation software to verify correct schematic device can achieve the required design features. According to the principle of map board in connection constitute a kind of bread.
Key Words: responder second pulse generating circuit timing circuit alarm cicurt Mutism Answer simulation
目录
1 智能抢答器的设计............................................................. -
2 -
1.1抢答器的功能要求 (2)
1.2整体设计思路 (3)
1.3单元电路的设计 (5)
1.3.1抢答电路设计 ......................................................... - 5 -
1.3.3报警电路设计 ........................................................ - 12 -
1.3.4 时序控制电路........................................................ - 13 -1．4抢答器整体电路 (14)
2 电路仿真.................................................................... - 16 -
3 元器件清单.................................................................. - 17 -
4 小结........................................................................ - 19 -
5 参考文献.................................................................... - 20 - 附录智能抢答器总图.. (I)
智能抢答器
在各种智力竞赛场合，抢答器是必不可少的最公正的用具。

在我们各种竞赛中我们也经常能看到有抢答的环节，某些举办方采用让选手通过举答题板的方法判断选手的答题权，这在某种程度上会因为主持人的主观误断造成比赛的不公平性，而抢答器的应用就能避免这种弊端。

随着科技的飞速发展，能够实现抢答器功能的方式有多种，可以采用模拟电路、数字电路或模拟与数字电路相结合的方式以及利用微电脑芯片作为核心部件进行逻辑控制及信号产生的单片机技术和C语言编程而设计的多路智力竞赛抢答器。

本设计将采用数字电路实现一八路智力竞赛抢答器。

1 智能抢答器的设计
1.1 抢答器的功能要求
基本功能：设计一个智力竞赛抢答器，可同时供8名选手或8个代表队参加比赛，他们的编号分别是0、1、2、3、4、5、6、7，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应，分别是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7。

给节目主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始。

抢答器具有数据锁存和显示的功能。

抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号。

此外，要封锁输入电路，禁止其他选手抢答。

优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

扩展功能：抢答器具有定时抢答的功能，且一次抢答的时间可以由主持人设定。

当节目主持人按下“开始”按钮后，要求定时器立即倒计时，并在显示器上显示，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续时间0.5s左右。

参赛选手在设定的时间内抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答时刻的时间，并保持到主持人将系统清零为止。

如果定时抢答的时间已到，却没有选手抢答，则本次抢答无效，系统短暂报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答，时间显示器上显示00.
1.2 整体设计思路
根据对功能要求的简要分析，将定时抢答器电路分为主题电路和扩展电路两部分。

主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答器按钮时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。

扩展电路完成定时抢答及报警功能。

比赛开始时，接通电源，节目主持人将开关置于“清零”位置，抢答器处于禁止工作状态，编号显示器灭灯，定时显示器上显示设定时间。

当节目主持人宣布“抢答开始”，同时将控制开关拨到“开始”位置，抢答器处于工作状态，定时器开始倒计时。

若定时时间到，却没有选手抢答时，系统报警，并封锁输入电路，禁止选手超时后抢答。

若选手在定时时间内按动抢答按钮时，抢答器要完成以下四项工作：1.优先编码器电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编号； 2.扬声器发出短暂声响，提醒节目主持人注意； 3.控制电路要对输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答； 4.控制电路要使定时器停止工作，时间显示器上显示剩余的抢答时间，并保持到主持人将系统清零为止。

当选手将问题回答完毕时，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止工作状态，以便进行下一轮抢答。

根据对功能要求的理解，设计了如下两种方案。

方案一系统框图如图1所示。

图1 八路智力抢答器方案一设计框图
方案一所示抢答器工作过程：该方案是将抢答按钮先直接与锁存器而不是优先编码器相连，将最先抢答的选手的编号锁定，再依次经过优先编码器、译码器和七段显示器，最后显示的是抢答选手的编号，经过优先编码器后的信号到单稳态触发器，单稳态触发器又与报警电路直接连接，所以显示编号的同时可以发出报警信号。

另外由主持人控制开关和其他部分电路通过门电路实现对抢答电路、定时电路和报警部分电路的控制。

方案二系统框图如图2所示。

图2 八路智力抢答器方案二设计框图
方案二所示抢答器的工作过程：主持人按动开始抢答的开关后，最先抢答的选手的电平信号先经过优先编码器，再依次经过数据锁存器，此时已经限制了其他选手的抢答，信号再经过译码器和七段数码显示器，将最先抢答的该选手的编号显示出来，并同时产生报警信号，到此完成的是抢答功能；如果没有人抢答， 30秒减计数器减到00时也会发出报警信号，此是完成计时功能。

相比之下，第二种方案更好些。

它的优点表现在以下几个方面：这种方案原理比较简单。

主持人对整体电路的控制只需几个门电路就可完成，不必用特别的芯片来组成控制电路；更容易实现报警提示功能，在有选手抢答后或者计时开始和结束时。

既减少了布线使整个电路更直观简单，又降低了产生错误的可能性。

1.3单元电路的设计
1.3.1抢答电路设计
抢答电路的功能有两个：一是能分辨出选手按按钮的先后，并锁存优先抢答者的编号，供译码显示电路用；二是要使其他选手的按钮操作无效。

因此，选用优先编码器74LS148和RS锁存器74LS279以及译码显示电路完成上述功能，其引脚图及真值表如下图所示。

图3 74LS148引脚图
表1 74LS148真值表
74LS148是一八线-三线优先编码器，该编码器由8个信号输入端，3个二进制输出端，输入输出均为低电平有效。

EI为输入使能端，低电平有效，当EI为低电平时，编码器处于工作状态；EO为输出使能端，只有在EI=0，且所有输入都为1时，输出为0；GS表征编码器的工作状态，当且仅当EI为低电平，且输入至少有一各为有效电平时，GS才有效。

因此，可根据EI、EO、GS功能扩展端的特点，对电路进行相应控制。

编码器在抢答电路中功能是判断抢答者的编号。

图4 74LS279引脚图
74LS279是由4个RS锁存器组成，且均为与非门构成的基本RS锁存器。

其中，1S和3S有两个输入端，S1和S2均为相与的关系。

本设计中，将S2均接高电平，仅利用S1控制输出。

其引脚图如图四所示，下表为SR锁存器的功能真值表，值得注意的是S和R不能同时为高电平，否则输出不确定。

表2 74LS279真值表
74LS48为七段显示译码器。

该集成译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。

BI/RBO为灭灯输入，当BI=0时，所有字形熄灭。

LT为试灯输入，当LT=0且RBO=1时，显示字形为8，常用于检测自身的好坏。

RBI为动态灭灯输入，当LT=1，RBI=0且输入均
为0时，输出均为低电平，数码管“灭零”。

其引脚图和逻辑图分别如图5图6所示，真值表如表3所示。

图5 74LS48的引脚图图6 74LS48的逻辑图
表3 74LS48真值表
由真值表可以看出译码器74LS48输出高电平有效，用以驱动共阴极数码管。

七段显示译码器一般与七段数码显示器相连，共同构成四输入端的数码显示电路，如图7所示。

共阴极数码显示器的功能表如表4所示。

图7 7448组成的四个输入端的数码显示组合电路
图8 7448产生的显示数字
表4 共阴极数码显示器的功能表
根据各芯片功能及抢答器的功能要求，抢答器电路如下所示
图9 抢答器电路
工作原理：SW1-8为八位选手的抢答开关，SW9单刀双掷开关设为主持人控制开关。

当主持人控制开关置于清零状态时，RS触发器的R端为低电平，输出端全部为低电平。

于是74LS48的BI为高，显示器灭灯；74LS148的选通输入端ST为高电平，74LS148处于工作状态，此时锁存电路不工作。

当SW9置于开始状态，优先编码电路和锁存电路同时处于工作状态。

74LS279的1R、1S均为高电平，由真值表可知，输出1Q为低电平，从而使74LS148输入使能端为低电平有效，即抢答器处于等待工作状态。

若有选手（假设为3号选手）按动抢答开关（即闭合SW4），此时优先编码器74LS148输入端I3接低电平有效，则输出A2A1A0为100，A2A1A0分别接至4S、3S、2S，根据RS锁存器真值表，2Q3Q4Q输出分别为110，从而74LS48的输入端DCBA为0011，经74LS48译码，显示器上显示“3”。

与此同时，当74LS148输入端有一个为低电平时，GS为低电平有效，即标志译码器处于工作状态，从而使1S为0，此时1Q输出为高电平，致使EI为高电平，74LS148处于禁止工作状态，其他选手抢答按钮的输入信号不会被接受。

这就保证了抢答者优先性以及抢答电路的准确性。

抢答结束后，主持人开关置于清零状态，数码管变灰，一切恢复初始状态，以便进入下一轮抢答环节。

1.3.2 定时电路设计
设计要求抢答器具有定时功能，且节目主持人根据抢答题的难易程度，可设定一次抢答的时间（设为30s）。

设计中选用十进制同步加/减计数器74LS192进行设计，74LS192
是具有置数和清零功能，其引脚图和逻辑图如图10所示，真值表如表5所示。

图10 74LS192引脚图和逻辑图
P0、P1、P2、P3——置数并行数据输入；
Q0、Q1、Q2、Q3——计数数据输出；
CR————————清零端；
LD————————置数端；
CPu ———————加法计数CP输入；
CPd ———————减法计数CP输入；
CO————————进位输出端；
BO————————借位输出端。

表5 74LS192真值表
根据设计要求，需要两片74LS192构成100进制减计数器。

由功能真值表可知，只需将个位74LS192的借位输出端BO与十位74LS192的CPd即可实现100进制减计数。

值得注意的是，要使其实现减计数，CPu端口必须接高电平。

计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。

秒脉冲电路由555构成的多谐振荡器构成，如图11所示。

多谐振荡器无需外加输入信号就能在接通电源自行产生矩形波输出。

图11 多谐振荡器
因为周期为一秒，所以频率是1赫兹。

图中电容的充放电时间分别是：
t1=RB×C×ln2≈0.7RB×C t2=(RA+RB)×C×ln2≈0.7(RA+RB)C
所以555的3端输出的频率为： f=1/(t1+t2)≈1.43/[(2RA+RB)C]
我们采用的电阻和电容值分别是：RA=15KΩ，R2=68KΩ，C1=10uf,满足上式，即得到的是秒脉冲。

由以上集成芯片设计的定时电路如图12所示。

图12 定时电路
工作原理：首先主持人根据题的难易程度改变74LS192的输入端D3D2D1D0的电平来确定抢答时间（假定为30秒），555构成秒脉冲产生电路为计时电路提供脉冲。

抢答开始前主持人闭合开关，74LS192的置数端PL为低电平有效，处于置数状态，数码管显示定时时间。

抢答开始，主持人打开开关，计数器处于计数状态，555产生的秒脉冲与十位74LS192借位输出端（其初始状态为高电平）相与。

计数器递减计数至00，十位74LS192借位输出端为低电平，计数器停止工作，产生报警。

计时期间有人抢答，减计数器停止计时，显示器上显示此刻时间。

1.3.3报警电路设计
由555定时器和三极管构成的报警电路如图13所示。

图中555定时器用来构成多谐振荡器，其震荡频率和秒脉冲产生电路中频率的计算方法相同。

3端的输出信号经过三级管驱动扬声器，发出报警信号。

当4端的输入信号是高电平时，振荡器工作，有报警信号，4端输入低电平时，振荡器不工作，没有报警信号。

也就是说需要报警时只需控制输入端即可。

图13报警电路
1.3.4 时序控制电路
时序控制电路是抢答器设计的关键，需要完成以下三项功能：
a.主持人将控制开关拨到“开始”位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进入正
常抢答工作状态。

b.当竞赛选手按动抢答键时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。

c.当设定的抢答时间到，无人抢答时扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。

本设计中采用门电路对控制开关、抢答电路、定时电路、报警电路进行连接，以实现上述三项功能要求（如图14所示）。

图14 时序控制电路
其中，两输入与非门采用74LS00，引脚图如图15所示。

三输入与门采用74LS11，引脚图如图16所示。

电路中利用与非门两输入端相连实现非门的逻辑功能。

图15 74LS00引脚图
工作原理：门G1的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输入使能端。

主持人控制开关从“清零”位置拨到“开始”位置时，74LS279的输出1Q=0，经G3反相，A=1，则从555输出端来的时钟信号CP能够加到74LS192的CPd始终输入端，定时电路进行递减计时。

同时，在定时时间未到时，74LS192的借位输出端BO2为低电平，门G2的输出ST为高电平，使74LS148处于正常工作状态，从而实现功能a的要
图16 74LS11引脚图
求。

当选手在定时时间内按动抢答按钮时，1Q=1，经G3反相，A=0，封锁CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出ST为低74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能b的要求。

当定时时间到时，来自74LS192的BO2为高，ST为高，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。

同时，门G1处于关门状态，封锁CP信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能c的要求。

1．4 抢答器整体电路
通过控制电路将抢答、定时电路进行连接后，构成了抢答器电路的整体设计，总电路图如图17所示：
图17 总电路图
下面介绍八路智力竞赛抢答器的使用原理。

首先是各个选手分别对应的按钮编号是S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，抢答后显示器上显示的分别是0、1、2、3、4、5、6、7。

然后是主持人对整个电路系统清零，将开关置于“清零”的位置，输出低电平，分为两路：一路与锁存器的1R2R3R4R端相连，使输出端1Q2Q3Q4Q为低电平，1Q所输出的低电平经与门反馈给74LS148的EI端子，编码器不工作，因此抢答部分显示器灭灯无显示，实现了清零；另一路低电平输出到计数器74LS192的LD端，而CR端也是低电平，所以使得对应显示器输出预置的数据。

接下来主持人根据题目的难易程度设置抢答时间，此设定可以通过调节输入两片74LS192的四个输入端D、C、B、A的高低电平来进行（例如要设定时间为30秒,就将十位的74192的D、C、B、A分别置位为0、0、1、1，而将各位的74LS192的D、C、B、A都置于0）。

当主持人宣读完题目说“开始”并将开关置于“开始”位置后，输出为高电平，此
高电平有两路方向：一路输出到74LS192的LD端，使其处于高电平而开始减计数；还有
一路输出到锁存器的R端。

当任意一个选手抢答时，例如3号抢答时，74LS148三号端子输入低电平有效，此时GS为低电平有效，表征编码器在正常工作。

编码输出A2A1A0为100，与其对应的4S3S2S
为100，经74LS279锁存，4Q3Q2Q输出为011，经译码显示编号为3。

与此同时，1Q所输
出的高电平反馈回编码器的是能输入端，使其停止工作。

此时，其他选手若再按动按钮也
无对应输出，这就保证了抢答者优先性以及抢答电路的准确性。

另一路，74LS148的GS端
输出电平由高变低，与秒脉冲发生器产生的秒脉冲相与后输出为0，使得无脉冲抵达计数
器74LS192的Down端。

计数器停止工作，保持原来显示不变，即实现了暂停减计数使其
记录抢答时间的功能。

若没有选手按动按钮，则74LS279输出全为高电平，74LS148也输出高电平，1Q端输
出低电平至74LS48的灭灯输入RI/RBO端，使得信号经74LS48到显示器上时无显示；若
到定时部分计数器倒计时到00还无选手按动按钮的话，十位74LS192的借位输出端输出
高电平反馈回个位Down端，停止计数。

综上所述，所设计的电路基本可以实现要求中的功能。

2 电路仿真
电路仿真采用multism仿真软件进行。

整体电路仿真
整体电路仿真在仿真过程中，可以先放所需要的元器件，原件对应在在Multism元件库里，该电路已经知道所需要的原件和芯片型号，可以点击元件库，在对应栏里有搜索按钮，输入相应的型号，即可直接找到该元件，若在元件库中未能找到所需的原件，则必须加载该元件或者选用其他元件代替。

然后再用再用导线一一连接起来，在该电路的仿真电路中，我们需要的是4RS锁存器，然而该仿真软件元器件库里没有该元件，这是我们可以选用2片74LS279芯片加以代替。

主持人先清零，数码管1灯灭，且计时器置位30，数码管2，3 显示30，然后开关
拨到开始，报警电路输出端二极管有闪动，定时器减计数，数码管2，3有显示且计数,当
选手3的开关按下时，报警器二极管闪动，数码管1显示3，数码管2，3停止变化，计数停止。

在计数到0时仍无开关按下，则报警器二极管闪动，数码管2，3显示00。

图18 整体电路仿真
通过对各单元电路及总电路的仿真，验证了设计电路的正确性。

3 元器件清单
下表为八路智力竞赛抢答器整体图所生成的元器件清单。

各芯片的引脚图、逻辑功能、真值表等均在前有相应介绍。

表6 元器件清单
Resistors
---------
9 R1-R9 10k
1 R10 15k 1 R11 68k 1 R1
2 1k Capacitors
----------
1 C1 100n 1 C
2 10u
Integrated Circuits
-------------------
3 U1-U3 74LS48
1 U4 74LS279
2 U5,U6 74LS192 1 U7 74LS148 1 U8 74LS00 1 U9 74LS11 1 U10 555
Diodes
------
1 D1 LED
Miscellaneous
-------------
8 SW1-SW8 SW-SPST 1 SW9 SW-SPDT
4 小结
本次课程设计的题目很有挑战性，但却综合考查了编码器，译码器，触发器，七段数码管的驱动和显示电路，定时电路，555单稳态多谐电路，同步时序电路以及各种门控制电路的设计。

整个实验下来，我几乎已把所有的数电知识复习和巩固了一遍，深深感触到了数电的用途和设计电路的艰辛与乐趣。

由于审题不仔细，在设计电路指出绕了很大的弯路，除了应该用到的我还用了锁存器，施密特触发器和单稳态电路，不同状态下各种电路的控制信号完全由“开始”，使能输出端，定时器输出控制，甚至有的地方还用Ei和Gs共同控制，电路非常复杂看似完美但是结果却很意外。

最后才意识到了Ei和Gs能相互影响导致控制异常只能取其一，且将所有模块的控制信号统一是很不科学的，因为不可能所有功能的变化都统一且不相互影响。

将控制信号模块化才有利于系统独立分功能运行及调试，这是本次课设动手操作之后我得出的最大的收获。

发现题目限制的芯片和门电路是有限的后，我严格按照题目要求的元件设计，方向对了后灵感也多了，电路的设计才步入正轨。

在与同学交流谈论后大家交换了不同的思路和方法，设计工作也轻松了一些。

实验中出现的另一个问题是时钟结束信号的控制，我最初的方法是用输出反馈法，用到很多门电路，仔细查阅资料后明白Bo可以用作输出结束信号，我以前对它的理解有误。

使用Bo后电路大大简化。

这提醒了我学知识一定要学准确，并能活学活用。

实验中多谐振荡器的应用使我对刚学过的知识有了更深的理解，看似难懂的原理真正用得到时才体现出它的用途，既可作矩形脉冲发生电路，又可作为音响的输入信号。

实验的难点是仿真，电路设计的再好难免有错误，即使没有错误也会因为软件操作的原因出现各种问题，调试和排查错误是十分关键的步骤。

而在其前的电路画图也是一大关，考验软件的熟练程度，需要具备搜索所需元件的技能，并且必须有极大的耐心和敏锐的观察力。

仿真的过程中我发现了电路设计的不少问题，也有一些软件的错误，再仔仔细细一遍遍调试后，仿真才成功。

这次实验我收获巨大，感到了知识的力量和科技的神奇，以及能力的重要性。

我会在以后的学习生活中继续我探索知识海洋的道路，牢记学过的知识并加以应用。